Lenkvorrichtung für Fahrzeuge Steering device for vehicles
Die Erfindung betrifft eine Lenkvorrichtung für Fahrzeuge, mit einer Lenkwelle, einem Sensor zum Feststellen der Lenkwellenbewegung und einer Schaltung zum Auswerten der Messsignale des Sensors.The invention relates to a steering device for vehicles, with a steering shaft, a sensor for determining the steering shaft movement and a circuit for evaluating the measurement signals of the sensor.
Lenkungen von Fahrzeugen können unterschiedlich realisiert werden. Besonders häufig wird eine Zahnstangenlenkung eingesetzt. Ein Fahrer übt dabei über ein Lenkrad ein Drehmoment auf eine Lenksäule aus. Eine direkte Kraftübertragung findet dann weiter über ein Ritzel, also ein Zahnrad, auf eine Zahnstange statt. Die Längsbewegung dieser Zahnstange ist zugleich die Längsbewegung einer Lenkwelle, in oder an der diese Zahnstange eingebracht ist. Die Lenkwelle ihrerseits bewegt das Lenkgestänge mit den daran angeordneten, auf diese Weise gelenkten Fahrzeug rädern.Steering of vehicles can be implemented in different ways. Rack and pinion steering is used particularly often. A driver exerts a torque on a steering column via a steering wheel. A direct power transmission then takes place via a pinion, i.e. a gear wheel, to a rack. The longitudinal movement of this rack is also the longitudinal movement of a steering shaft in or on which this rack is introduced. The steering shaft in turn moves the steering linkage with the vehicle wheels arranged on it in this way.
Um die direkte Kraftübertragung durch den Fahrer zu unterstützen, ist es bei hydraulischen Servolenkungen darüber hinaus bekannt, eine Druckkammer vorzusehen, in der ein Kolben läuft, der mit der Lenkwelle fest verbunden ist. Über die Steuerung des Druckes in der mit Hydrauliköl gefüllten Druckkammer kann der Kolben bewegt und auf diese Weise das Lenkgestänge unterstützend zu- sätzlich zur Kraftübertragung durch den Fahrer bewegt werden. Alternativ kann der Antrieb des Ritzels auch durch einen Elektromotor unterstützt werden.In order to support the direct power transmission by the driver, it is also known in hydraulic power steering systems to provide a pressure chamber in which a piston runs, which is firmly connected to the steering shaft. By controlling the pressure in the pressure chamber filled with hydraulic oil, the piston can be moved and in this way the steering linkage can be moved in addition to the power transmission by the driver. Alternatively, the drive of the pinion can also be supported by an electric motor.
Um diese verschiedenen Formen der Unterstützung realisieren zu können, ist es natürlich wünschenswert, ein mit dem Zustand der Lenkung korrelierendes Messsignal zur Verfügung zu haben. Dieses Signal könnte dann für eine geeignete Steuerung zur Lenkungsunterstützung, zur Servolenkung und ähnlichen Zwecken übernehmen und auch selbstregelnde Systeme ermöglichen. Über die Steuerung der Servoeinrichtung hinaus wären auch unterstützende Maßnahmen zur Optimierung des Lenk- und Dämpfungsverhaltens von Kraftfahrzeugen oder aber auch eine gleichzeitige Steuerung aller vier Räder und andere intelligente Lenksysteme zu berücksichtigen.
Es bestehen bereits verschiedene Vorschläge, ein mit dem Zustand der Lenkung korrelierendes Signal zu gewinnen.In order to be able to implement these different forms of support, it is of course desirable to have a measurement signal that correlates with the state of the steering. This signal could then take over for a suitable control for steering support, for power steering and similar purposes and also enable self-regulating systems. In addition to the control of the servo device, supporting measures to optimize the steering and damping behavior of motor vehicles or a simultaneous control of all four wheels and other intelligent steering systems would also have to be taken into account. There are already various proposals for obtaining a signal that correlates with the state of the steering.
So wird in der DE 40 29 764 A1 vorgeschlagen, zwischen Lenkrad und Vorder- achse eine Längenmesseinrichtung anzuordnen, die auf die Verschiebung der Zahnstange anspricht. Für diese Längenmesseinrichtung werden induktive oder Ohmsche Einrichtungen vorgeschlagen. Aus der EP 0 410 583 B1 ist eine Konzeption mit zwei magnetoresistiven Sensoren bekannt. Hier wird die magnetische Kopplung bei einer Bewegung der Lenkwelle verändert und so eine Positionsbestimmung ermöglicht. Allerdings muss dazu die Lenkwelle geometrisch verändert und auch zusätzlich mit einer Nut versehen werden, was neben Kosten auch zu einer gewissen Störanfälligkeit führt. Mit einem Magneten arbeitet auch die EP 0 376 456 B1. Der auf der Lenkwelle angeordnete Magnet wird von einer Induktionsspule umschlossen. Eine Induktionsänderung kann einer Wegänderung zugeordnet werden.For example, DE 40 29 764 A1 proposes to arrange a length measuring device between the steering wheel and the front axle which responds to the displacement of the rack. Inductive or ohmic devices are proposed for this length measuring device. A concept with two magnetoresistive sensors is known from EP 0 410 583 B1. Here the magnetic coupling is changed when the steering shaft moves, thus enabling a position determination. However, the steering shaft must be geometrically modified and additionally provided with a groove, which in addition to costs also leads to a certain susceptibility to faults. EP 0 376 456 B1 also works with a magnet. The magnet arranged on the steering shaft is enclosed by an induction coil. An induction change can be assigned to a path change.
Aus der DE 197 03 903 A1 und der DE 197 52 346 A1 sind Lenkwinkelsensoren bekannt, die mit Magnetfeldsensoren, sogenannten Hallsensoren, arbeiten.Steering angle sensors are known from DE 197 03 903 A1 and DE 197 52 346 A1, which work with magnetic field sensors, so-called Hall sensors.
Diese bekannten Vorschläge haben den Nachteil, dass die Messung jeweils nur eine eingeschränkte Genauigkeit erlaubt. Problematisch ist auch, dass es sich um Relativmessungen handelt, so dass sich Messfehler über die Zeit aufsummieren. Für den Einsatz bei intelligenten Lenksystemen sind diese Vorschläge daher nicht praktikabel.These known proposals have the disadvantage that the measurement only allows limited accuracy. It is also problematic that these are relative measurements, so that measurement errors add up over time. These suggestions are therefore not practical for use with intelligent steering systems.
Aus der DE 37 03 591 C2 ist es bekannt, bei einer Zahnstangenlenkung am Ende der Lenksäule eine Messung des Drehwinkels dieser Lenksäule vorzunehmen, indem eine Induktionsspule oder eine Piezo-Kraftmesszelle entsprechend beaufschlagt werden. Das Ende der Lenksäule trägt jedoch auch die Kraftübertragung auf die Zahnstange und ist sowohl baulich beengt als auch für Messungen ungünstig, zumal hier viele Störungen auftreten können.
Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Lenkvorrichtung vorzuschlagen, bei der ein zum Zustand der Lenkung korrelierendes Signal abnehmbar ist, das besser für die Steuerung solcher intelligenten Lenksysteme geeignet ist.From DE 37 03 591 C2 it is known to carry out a measurement of the angle of rotation of this steering column in a rack and pinion steering at the end of the steering column by applying an induction coil or a piezo force measuring cell accordingly. However, the end of the steering column also carries the power transmission to the rack and is both structurally narrow and unfavorable for measurements, especially since many faults can occur here. In contrast, the object of the invention is to propose a steering device in which a signal which correlates with the state of the steering can be removed and which is better suited for controlling such intelligent steering systems.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass auf der Lenkwelle und/oder einer mit der Lenkwelle kraftschlüssig verbundenen Einrichtung kodierte MikroStrukturen vorgesehen sind, dass ein Sensor vorgesehen ist, der die MikroStrukturen detektiert und zugeordnete Messsignale abgibt und dass eine elektronische Schaltung vorgesehen ist, welcher die Messsignale des Sensors zugeführt werden und weiche elektronische Signale zur Steuerung der Lenkung abgibt.This object is achieved in that encoded microstructures are provided on the steering shaft and / or in a device that is non-positively connected to the steering shaft, that a sensor is provided that detects the microstructures and emits associated measurement signals and that an electronic circuit is provided that measures the measurement signals are supplied by the sensor and emits soft electronic signals for controlling the steering.
Mit dieser Erfindung wird eine Lenkvorrichtung für Fahrzeuge vorgeschlagen, die eine absolute Positionsmessung erlaubt. Die Nachteile aus dem Stand der Technik sind nicht mehr vorhanden. Die erfindungsgemäße Lenkvorrichtung ist genauer und liefert reproduzierbare Messsignale. Eine Regelung und/oder Steuerung der Bewegung der Lenkwelle wird möglich, insbesondere für intelligente Lenksysteme.With this invention, a steering device for vehicles is proposed that allows an absolute position measurement. The disadvantages of the prior art no longer exist. The steering device according to the invention is more precise and provides reproducible measurement signals. Regulation and / or control of the movement of the steering shaft is possible, in particular for intelligent steering systems.
Es entsteht so eine Kombination moderner Oberflächentechniken mit mikrostrukturgebenden Verfahren einerseits und einem hochauflösenden Sensor, also einem Detektionssystem, mit einer entsprechenden elektronischen Schaltung andererseits. Unter MikroStrukturen werden hierbei Strukturen mit Abmessungen im Mikrometerbereich verstanden.The result is a combination of modern surface technologies with microstructuring processes on the one hand and a high-resolution sensor, i.e. a detection system, with a corresponding electronic circuit on the other. Micro structures are understood to mean structures with dimensions in the micrometer range.
Unter "detektieren" werden insbesondere Verfahren verstanden, bei denen ein berührungsloses Erkennen erfolgt, bevorzugt optisch oder magnetisch. Aber auch andere Detektionsmöglichkeiten kommen in Betracht, die auslesen, abtasten, fühlen oder sonst erkennen.“Detect” is understood to mean, in particular, methods in which contactless detection takes place, preferably optically or magnetically. However, other detection options are also considered, which read out, scan, feel or otherwise recognize.
Die Erfindung ermöglicht eine schnelle, hochauflösende und zuverlässige Absolutbestimmung der Position der Lenkwelle, und zwar mit einer Auflösung im unteren Mikrometerbereich. Eine Verfälschung oder Störung durch elektromagnetische Felder oder im Bereich der Lenkung findet nicht statt beziehungsweise ist unerheblich.
Insbesondere bei modernen, sogenannten intelligenten Lenksystemen kann die Erfindung erfolgreich eingesetzt werden.The invention enables a fast, high-resolution and reliable absolute determination of the position of the steering shaft, with a resolution in the lower micrometer range. Falsification or interference by electromagnetic fields or in the area of the steering does not take place or is immaterial. The invention can be successfully used in particular in modern, so-called intelligent steering systems.
Es ist möglich, die Lenkwelle selbst mit den MikroStrukturen auszurüsten. Nachteilig dabei wäre das schwierige Handhaben der gesamten Lenkwelle während des Ausrüstens. Um dies zu umgehen, könnten auswechselbare, kleinere, mit der Lenkwelle kraftschlüssig verbindbare Elemente, beispielsweise in Stabform, entsprechend ausgerüstet und dann eingesetzt werden.It is possible to equip the steering shaft itself with the micro structures. The disadvantage here would be the difficult handling of the entire steering shaft during fitting. In order to circumvent this, replaceable, smaller elements, for example in the form of a rod, which can be non-positively connected to the steering shaft, could be appropriately equipped and then used.
Die MikroStrukturen sind dabei vorteilhaft so gestaltet, dass sie eine geeignete Kodierung enthalten, die es gestattet, die Position der Lenkwelle absolut zu bestimmen.The microstructures are advantageously designed in such a way that they contain a suitable coding that allows the position of the steering shaft to be determined absolutely.
Die Detektion der MikroStrukturen erfolgt vorzugsweise mit Hilfe optischer Abtastverfahren, insbesondere unter Verwendung von Elementen der Mikrosystemtechnik. Unter Mikrosystemtechnik versteht man die Bereiche der Mikrostrukturtechnik, der Mikrooptik und der Faseroptik. Mikrolinsen mit Durchmessern bis hinab zu ca. 10 μm und Brennweiten in der gleichen Größenordnung sind einsetzbar. Bei Einsatz von Glas- oder anderen Fasern und sehr kleinen Durchmessern können die Mikrolinsen direkt auf der Faserstirnfläche fixiert werden. Das Gesamtsystem kann Y-Verzweigungen aufweisen und ist mit einzelnen Modulen zu einem kompakten Mikrosystem integriert. Die Module können gegebenenfalls - etwa um optoelektronische Komponenten sowie die Auswerteelektronik optimal in Bereichen niedriger Temperatur betreiben zu können - über die optischen Fasern räumlich abgesetzt werden.The microstructures are preferably detected using optical scanning methods, in particular using elements of microsystem technology. Microsystem technology means the areas of microstructure technology, micro-optics and fiber optics. Microlenses with diameters down to approx. 10 μm and focal lengths in the same order of magnitude can be used. When using glass or other fibers and very small diameters, the microlenses can be fixed directly on the face of the fiber. The overall system can have Y branches and is integrated with individual modules to form a compact microsystem. If necessary, the modules can be spatially separated via the optical fibers, for example in order to be able to optimally operate optoelectronic components and the evaluation electronics in areas of low temperature.
Vorteilhafterweise werden tribologisch geeignete Schichtsysteme auf die Lenk- welle oder einer damit spielfrei verbundenen linearen Vorrichtung, als Einrichtung oder Messeinrichtung bezeichnet, aufgebracht. Dies kann mittels auf anderen technischen Gebieten bewährten Dünnschichtverfahren erfolgen. Mittels hochauflösender Strukturierungs- und Ätzverfahren werden spezielle
MikroStrukturen erzeugt. Die MikroStrukturen sind so beschaffen, dass diese mit den Sensoren auch ausgelesen werden können.Advantageously, tribologically suitable layer systems are applied to the steering shaft or to a linear device connected to it without play, referred to as a device or measuring device. This can be done using thin-film processes that have proven themselves in other technical fields. Using high-resolution structuring and etching processes, special Microstructures created. The microstructures are designed so that they can also be read out with the sensors.
Beispielsweise wird der optische Kontrast, also der Unterschied der Reflektivität, der MikroStrukturen zur darunterliegenden Oberfläche der Lenkwelle so modifiziert, dass eine optische Erkennung der Muster mit Hilfe von miniaturisierten faseroptischen Systemen erfolgen kann. Ein weiteres Beispiel ist die Ausführung der MikroStrukturen als Reflektions-Hologramm, wobei die Kodierung ähnlich wie bei vorangestelltem Beispiel (segmentweise) ausgeführt ist und das Auslesen durch ein geeignetes miniaturisiertes optisches System erfolgt. Dabei kann die funktionelle Schicht kristallin oder amorph ausgeführt sein und das Hologramm phasen- oder winkelkodiert eingeschrieben sein. Das Hologramm kann für einen Frequenzbereich (monochromatisch) oder für mehrere Frequenzbereiche (farbig) funktionell sein, die Informationen können digital oder analog (in das Hologramm) eingeschrieben sein.For example, the optical contrast, that is the difference in reflectivity, of the microstructures to the underlying surface of the steering shaft is modified in such a way that the patterns can be optically recognized with the aid of miniaturized fiber-optical systems. Another example is the implementation of the microstructures as a reflection hologram, the coding being carried out similarly to the preceding example (segment by segment) and the reading being carried out by a suitable miniaturized optical system. The functional layer can be crystalline or amorphous and the hologram can be written in phase or angle-coded. The hologram can be functional for one frequency range (monochromatic) or for several frequency ranges (colored), the information can be written in digital or analog (in the hologram).
Anstelle von oder zusätzlich zu optischen Sensoren oder optisch detektierbaren MikroStrukturen können auch andere physikalische Methoden eingesetzt werden. So können die MikroStrukturen auch in magnetischen Schichten gebildet werden, beispielsweise CoSm oder NdFeB. Als Sensoren könnten dann insbesondere Magnetsensoren eingesetzt werden, die sonst in der Datenspeichertechnik Verwendung finden.Instead of or in addition to optical sensors or optically detectable microstructures, other physical methods can also be used. The microstructures can also be formed in magnetic layers, for example CoSm or NdFeB. Magnetic sensors that would otherwise be used in data storage technology could then be used as sensors.
Die Herstellung der MikroStrukturen auf der Lenkwelle beziehungsweise auf der mit der Lenkwelle kraftschlüssig verbundenen Einrichtung erfolgt in Form von inkrementellen Markierungen. Dabei werden bevorzugt tribologisch optimierte Schichtsysteme unter Einsatz hochauflösender, für dreidimensionale Anwendungen geeigneter lithographischer oder lasertechnischer Methoden bevorzugt. Als lithographische Verfahren kommen dabei fotolithographische, elektronen- lithographische, röntgenlithographische und/oder ionenlithographische Verfahren in Betracht.The microstructures are produced on the steering shaft or on the device which is non-positively connected to the steering shaft in the form of incremental markings. Tribologically optimized layer systems using high-resolution lithographic or laser technology methods suitable for three-dimensional applications are preferred. Photolithographic, electron-lithographic, X-ray lithographic and / or ion-lithographic processes can be used as the lithographic process.
Multilagen- oder Compositstrukturen können ebenfalls eingesetzt werden.
Die Muster werden bevorzugt in Mikrometerdimensionen realisiert. Die Schichtsysteme gestatten in Verbindung mit einem geeigneten sensorischen Erkennungssystem eine absolute Bestimmung der aktuellen Position, und zwar mit einer Genauigkeit von wenigen Mikrometern.Multi-layer or composite structures can also be used. The patterns are preferably realized in micrometer dimensions. In conjunction with a suitable sensory detection system, the layer systems allow an absolute determination of the current position, with an accuracy of a few micrometers.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden zwei zueinander komplementäre und parallel verlaufende Muster mit einer geeigneten Kodierung, zum Beispiel einer Bit-Kodierung, vorgesehen. Die Markierungsstruktur besteht in einer Ausführungsform aus optisch über die Reflexion unterscheidbaren Streifen, wobei die Streifenmuster binäre UO-Kodierungen enthalten.In an advantageous embodiment of the invention, two mutually complementary and parallel patterns are provided with a suitable coding, for example a bit coding. In one embodiment, the marking structure consists of stripes that can be optically distinguished by reflection, the stripe patterns containing binary UO codes.
Dadurch kann das in das Lenkgetriebe komplett integherbare Wegmesssystem aufgrund der Bit- Kodierung in jeder Betriebsphase die aktuelle absolute Position der Lenkung erkennen.As a result, the position measuring system, which can be fully integrated into the steering gear, can recognize the current absolute position of the steering due to the bit coding in every operating phase.
Verschiedene Muster sind denkbar. So lassen sich zum Beispiel ein dual-Code, ein Gray- Code oder auch Stufenkodes einsetzen, die als solche aus einschlägigen mathematischen Verfahren bekannt sind.Different patterns are possible. For example, a dual code, a gray code or even step codes, which are known as such from relevant mathematical processes, can be used.
Zur Abtastung der Markierungen und der MikroStrukturen werden insbesondere bevorzugt optische Sensoren, insbesondere faseroptische Doppelsensoren, eingesetzt. Auch Mehrfachsensoren, besonders in Arrayform, sind möglich.Optical sensors, in particular fiber-optic double sensors, are particularly preferably used for scanning the markings and the microstructures. Multiple sensors, especially in the form of an array, are also possible.
Die MikroStrukturen werden in einem bevorzugt eingesetzten Verfahren unter Anwendung von Dünnschichttechniken erzeugt. Als Dünnschichttechniken werden vorteilhafterweise PVD (Physical Vapor Deposition)- und/oder CVD (Chemical Vapor Deposition)-Techniken eingesetzt. Die Struktuherung erfolgt dabei wie erwähnt mit lithographischen Techniken.The microstructures are produced in a preferably used method using thin-film techniques. PVD (Physical Vapor Deposition) and / or CVD (Chemical Vapor Deposition) techniques are advantageously used as thin-film techniques. As mentioned, the structure is structured using lithographic techniques.
Die MikroStrukturen können auch durch Trockenätzverfahren und/oder nasschemische Ätzverfahren hergestellt werden.
Alternativ ist eine Herstellung mit Laserstrahltechniken, beispielsweise direkt schreibenden Laserablationsverfahren und/oder laserlithographischen Verfahren und/oder direkt wirkenden, maskenbezogenen Laserstrukturierungsverfahren möglich.The microstructures can also be produced by dry etching processes and / or wet chemical etching processes. Alternatively, production using laser beam techniques, for example direct writing laser ablation processes and / or laser lithographic processes and / or direct-acting, mask-related laser structuring processes, is possible.
Die MikroStrukturen werden bevorzugt aus tribologischen Hartstoffschichtsystemen aufgebaut. Dabei kommen Einzelschichten oder Multilagenschichten in Betracht. Diese bestehen bevorzugt aus Titannithd (TiN) und/oder Titanaluminiumnitrid (TiAIN) und/oder Titankarbonitrid (TiCN)-Schichten und/oder Aluminiumoxydschichten und/oder amorphen diamantartigenThe microstructures are preferably constructed from tribological hard material layer systems. Single layers or multilayer layers come into consideration. These preferably consist of titanium nitride (TiN) and / or titanium aluminum nitride (TiAIN) and / or titanium carbonitride (TiCN) layers and / or aluminum oxide layers and / or amorphous diamond-like layers
Kohlenwasserstoffschichten mit oder ohne Metalldotierung und/oder amorphe diamantartige Kohlenstoffschichten mit oder ohne Metalldotierung und/oder amorphen CN-Schichten und/oder kubische Bornitridschichten und/oder Diamantschichten.
Hydrocarbon layers with or without metal doping and / or amorphous diamond-like carbon layers with or without metal doping and / or amorphous CN layers and / or cubic boron nitride layers and / or diamond layers.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:Exemplary embodiments of the invention are described in more detail below with reference to the drawings. Show it:
Figur 1 einen schematischen Schnitt durch wesentliche Elemente einer erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Lenkvorrichtung;Figure 1 shows a schematic section through essential elements of an embodiment of a steering device according to the invention;
Figur 2 eine alternative Ausführungsform zu Figur 1 ;Figure 2 shows an alternative embodiment to Figure 1;
Figur 3 eine schematische Darstellung eines mikrosystemtechnischen Sensorsystems für eine erfindungsgemäße Ausführungsform der Lenkvorrichtung;Figure 3 is a schematic representation of a microsystem sensor system for an embodiment of the steering device according to the invention;
Figur 4 eine detaillierte Darstellung eines Elementes aus Figur 3;FIG. 4 shows a detailed illustration of an element from FIG. 3;
Figur 5 eine detaillierte Darstellung einer alternativen Ausführungsform dieses Elementes aus Figur 3;FIG. 5 shows a detailed illustration of an alternative embodiment of this element from FIG. 3;
Figur 6 eine detaillierte Darstellung eines anderen Elementes aus Figur 3;FIG. 6 shows a detailed illustration of another element from FIG. 3;
Figur 7 eine beispielhafte Darstellung einer MikroStruktur;FIG. 7 shows an example of a microstructure;
Figur 8 eine alternative Ausführungsform von Figur 7;Figure 8 shows an alternative embodiment of Figure 7;
Figur 9 eine weitere alternative Ausführungsform von Figur 7;Figure 9 shows another alternative embodiment of Figure 7;
Figur 10 ein schematischer Schnitt durch eine MikroStruktur;FIG. 10 shows a schematic section through a microstructure;
Figur 11 die Ausführungsform aus Figur 10 nach einem möglichen Weiterbearbeitungsschnitt;FIG. 11 shows the embodiment from FIG. 10 after a possible further processing cut;
Figur 12 ein schematischer Schnitt durch eine andere Ausführungsform ähnlich Figur 10;Figure 12 is a schematic section through another embodiment similar to Figure 10;
Figur 13 ein schematischer Schnitt durch eine dritte Ausführungsform ähnlich Figur 10;
Figur 14 die Ausführungsform aus Figur 13 nach einem möglichen Weiterbearbeitungsschnitt; undFigure 13 is a schematic section through a third embodiment similar to Figure 10; FIG. 14 shows the embodiment from FIG. 13 after a possible further processing cut; and
Figur 15 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Sensors.Figure 15 is a schematic representation of an embodiment of a sensor.
Die in Figur 1 dargestellte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lenkvorrichtung besitzt einen Montageblock 10, in deren Inneren sich eine Druckkammer n befindet, die weitgehend mit Hydrauiiköl 12 angefüllt ist. Das Hy- drauliköl 12 steht unter einem Druck p. Der Montageblock 10 ist hier rein sche- matisch dargestellt; er nimmt hier eine im wesentlichen zylinderförmige Ausbildung an, wobei sich wesentliche Teile des Montageblocks 10 noch nach rechts aus der Figur 1 hinaus erstrecken.The embodiment of a steering device according to the invention shown in Figure 1 has a mounting block 10, in the interior of which there is a pressure chamber n, which is largely filled with hydraulic oil 12. The hydraulic oil 12 is under a pressure p. The assembly block 10 is shown here purely schematically; here it assumes an essentially cylindrical design, with essential parts of the assembly block 10 still extending to the right from FIG. 1.
Etwa längs der Zylinderachse des Montageblocks 10 verläuft die Lenkwelle 20. Die Lenkwelle 20 erstreckt sich also durch die Druckkammer 11 mit dem Hydrauiiköl 12. Die Lenkwelle 20 ist mit einer Zahnstange 21 versehen, die hier in Figur 1 durch entsprechende Zahnmarkierungen angedeutet ist. Die Zahnstange 21 wird durch ein Ritzel 22 angetrieben. Dieses Ritzel steht mit der Lenkung eines nicht dargestellten Fahrzeugs in Verbindung. Wird das Lenkrad bei- spielsweise eines Personenkraftfahrzeugs gedreht, überträgt sich das entsprechende Drehmoment über das Ritzel 22 auf die Zahnstange 21 und verschiebt mit ihr die gesamte Lenkwelle 20 längs der Achse durch den Montageblock 10.The steering shaft 20 extends approximately along the cylinder axis of the mounting block 10. The steering shaft 20 thus extends through the pressure chamber 11 with the hydraulic oil 12. The steering shaft 20 is provided with a toothed rack 21, which is indicated here in FIG. 1 by corresponding tooth markings. The rack 21 is driven by a pinion 22. This pinion is connected to the steering of a vehicle, not shown. If the steering wheel of a passenger vehicle is turned, for example, the corresponding torque is transmitted via the pinion 22 to the rack 21 and with it moves the entire steering shaft 20 along the axis through the mounting block 10.
Auf der Lenkwelle 20 sitzt außerdem in kraftschlüssiger Verbindung ein Kolben 23. Dieser Kolben 23 ist innerhalb der Druckkammer 11 und damit innerhalb des Hydrauliköls 12 angeordnet, während das Ritzel 22 und die Zahnstange 21 sich außerhalb der Druckkammer 11 befinden.A piston 23 is also seated on the steering shaft 20 in a non-positive connection. This piston 23 is arranged within the pressure chamber 11 and thus within the hydraulic oil 12, while the pinion 22 and the toothed rack 21 are located outside the pressure chamber 11.
Die Lenkwelle 20 tritt also an zwei Stellen durch die Wandung der Druckkammer 1 hindurch. Beide Stellen sind mittels Dichtungen 24 abgedichtet, bevorzugt mittels Vitondichtungen. Der Kolben 23 bewegt sich aufgrund seiner kraftschlüssigen Verbindung mit der Lenkwelle 20 auch längs mit dieser. Er füllt den gesamten Querschnitt der Druckkammer 11 aus. Infolgedessen kann auch durch Druckveränderungen des Hydrauliköls 12 der Kolben 23 und damit die
Lenkwelle 20 bewegt werden. Dieses ist auch ein übliches Verfahren, um die vom Benutzer des Fahrzeugs über das Ritzel 22 ausgeübten Kräfte zu verstärken.The steering shaft 20 thus passes through the wall of the pressure chamber 1 at two points. Both points are sealed by means of seals 24, preferably by means of Viton seals. The piston 23 also moves longitudinally with the steering shaft 20 due to its positive connection. It fills the entire cross section of the pressure chamber 11. As a result, the piston 23 and thus the piston 23 can also be changed by changes in pressure Steering shaft 20 are moved. This is also a common method to increase the forces exerted by the user of the vehicle through the pinion 22.
Geeignete Durchmesser von Lenkwellen 20 liegen bei etwa 20 bis 40 mm, geeignete Durchmesser von Druckkammern 11 bei etwa 40 bis 70 mm, Lenkwellen 20 haben beispielsweise Längen von größenordnungsmäßig 800 mm, die Länge der Druckkammer 11 kann zum Beispiel 200 bis 400 mm betragen.Suitable diameters of steering shafts 20 are approximately 20 to 40 mm, suitable diameters of pressure chambers 11 approximately 40 to 70 mm, steering shafts 20 have lengths of the order of 800 mm, for example, the length of the pressure chamber 11 can be 200 to 400 mm, for example.
Natürlich sind gegebenenfalls ganz andere Größenabmessungen geeignet, je nach den Anforderungen der Lenkvorrichtung.Of course, entirely different size dimensions are suitable, depending on the requirements of the steering device.
In dem Montageblock 10 ist außerhalb der Druckkammer 11 noch eine Montagebohrung 13 eingelassen. Diese Montagebohrung 13 ragt von der Außen- wandung des Montageblocks 10 bis zu der Durchbohrung, in der sich die Lenkwelle 20 befindet. In dieser Montagebohrung 13 befindet sich ein Sensor 35. Dieser Sensor 35 kann beispielsweise in den. Enden einer Glasfasersensorik bestehen.A mounting hole 13 is also made in the mounting block 10 outside the pressure chamber 11. This mounting hole 13 extends from the outer wall of the mounting block 10 to the through hole in which the steering shaft 20 is located. A sensor 35 is located in this mounting hole 13. This sensor 35 can, for example, in the. End of a fiber optic sensor system exist.
Gerade in diesem Bereich ist die Lenkwelle 20 auf ihrer Außenseite mit einer Markierung 30 versehen. Die Markierung 30 besteht aus MikroStrukturen 31 , die auf der Oberseite der Lenkwelle 20 angeordnet sind. Diese MikroStrukturen 31 sind in Achsrichtung der Lenkwelle 20 so kodiert, dass bei einer Längsbewegung der Lenkwelle 20 relativ zum Montageblock 10 jeweils andere Bitmuster unter dem Sensor 35 vorbeilaufen. Die Signale des Sensors 35 werden zu einer elektronischen Schaltung 40 geführt (in Figur 1 nicht näher dargestellt). Die elektronische Schaltung 40 kann dann aus den Ablesewerten des Sensors 35 eine entsprechende Absolutwertbestimmung der Lage der Lenkwelle 20 im Verhältnis zum Montageblock 10 abgeben.In this area in particular, the steering shaft 20 is provided with a marking 30 on its outside. The marking 30 consists of microstructures 31 which are arranged on the top of the steering shaft 20. These microstructures 31 are coded in the axial direction of the steering shaft 20 so that when the steering shaft 20 moves longitudinally relative to the mounting block 10, different bit patterns pass under the sensor 35. The signals from the sensor 35 are fed to an electronic circuit 40 (not shown in more detail in FIG. 1). The electronic circuit 40 can then output a corresponding absolute value determination of the position of the steering shaft 20 in relation to the mounting block 10 from the readings of the sensor 35.
Außer der Längsbewegung der Lenkwelle 20 sind für die Lenkung weitere Bewegungen der Lenkwelle nicht interessant. Daher ist in der Figur 1 auch nichts über etwaige Rotationen der Lenkwelle 20 dargestellt. Hier sind alle Varianten
denkbar, die ein entsprechendes Laufen des Ritzels 22 auf der Zahnstange 21 gewährleisten.In addition to the longitudinal movement of the steering shaft 20, further movements of the steering shaft are of no interest for the steering. Therefore, nothing about any rotations of the steering shaft 20 is shown in FIG. 1. Here are all the variations conceivable that ensure a corresponding running of the pinion 22 on the rack 21.
In Figur 2 ist eine andere alternative Ausführungsform mit einer ähnlichen Dar- Stellung wie in Figur 1 gezeigt.FIG. 2 shows another alternative embodiment with a representation similar to that shown in FIG. 1.
Auch hier ist der Montageblock 10 mit der Druckkammer 11 und dem Hydraulik- öl 12 zu erkennen. Durch den Montageblock 10 und die Druckkammer n läuft wiederum die Lenkwelle 20 mit der Zahnstange 21. Das Ritzel 22 treibt auch hier die Zahnstange 21 an. Auf der Lenkwelle 20 sitzt außerdem ein Kolben 23, der innerhalb der Druckkammer 11 laufen kann.The mounting block 10 with the pressure chamber 11 and the hydraulic oil 12 can also be seen here. The steering shaft 20 with the rack 21 runs through the mounting block 10 and the pressure chamber n. The pinion 22 also drives the rack 21 here. On the steering shaft 20 there is also a piston 23 which can run within the pressure chamber 11.
Im Unterschied zu Figur 1 ist hier nicht nur eine Montagebohrung 13, sondern noch eine weitere Montagebohrung 14 außerhalb der Druckkammer 11 vorge- sehen.In contrast to FIG. 1, not only one mounting hole 13 is provided here, but also another mounting hole 14 outside the pressure chamber 11.
Dieser Unterschied ermöglicht auch das Anordnen von zwei Sensoren 35 und 36. Dadurch wird das Auslesen von redundanten oder komplementären oder auch in anderer Form doppelt kodierten MikroStrukturen 31 der Markierung 30 möglich. Die Sensoren 35 und 36 sind bevorzugt faseroptische Reflektions- sensoren. Die Lichtquelle der Reflektionssensoren wird durch lichtemittierende Dioden (LED) gebildet, wobei spektral eine Anpassung der LED's an das verwendete Hydrauliköl 12 in der Druckkammer 11 erfolgt. Als Hydrauliköl 12 kann bevorzugt Pentosin verwendet werden.This difference also enables two sensors 35 and 36 to be arranged. This makes it possible to read out redundant or complementary or else double-coded microstructures 31 of the marking 30. The sensors 35 and 36 are preferably fiber-optic reflection sensors. The light source of the reflection sensors is formed by light-emitting diodes (LEDs), the LEDs being spectrally matched to the hydraulic oil 12 used in the pressure chamber 11. Pentosin can preferably be used as hydraulic oil 12.
Der Druck p des Hydrauliköls12 in der Druckkammer 11 wird über Ventile in einem Ventilsteuergehäuse geregelt (nicht dargestellt).The pressure p of the hydraulic oil 12 in the pressure chamber 11 is regulated via valves in a valve control housing (not shown).
Die Lenkwelle 20 ist an ihren Durchtrittsöffnungen in die Druckkammer 11 und aus der Druckkammer 11 heraus durch Dichtungen 24 abgedichtet, die insbesondere Vitondichtungen sind. Die Lenkwelle 20 hat eine Mittenposition, die dem Lenkwinkel 0° entspricht. Dies ist in der Figur 2 als Mittenposition X0 angedeutet. Nach rechts beziehungsweise nach links findet dann die Bewegung in Richtung der Lenkwellenposition +X (rechts) beziehungsweise in Richtung -X (links) statt.
Diese jeweiligen Endpositionen entsprechen einem Linearhub, der typisch bei ± 75 mm liegen kann. Je nach Fahrzeugtyp ergeben sich daraus unterschiedliche Anschlagwinkel der Lenkung. In Einzelfällen kann je nach Fahrzeugtyp dieser Linearhub auch kleiner sein, beispielsweise ± 50 mm betragen.The steering shaft 20 is sealed at its passage openings into the pressure chamber 11 and out of the pressure chamber 11 by seals 24, which are in particular Viton seals. The steering shaft 20 has a center position which corresponds to the steering angle 0 °. This is indicated in Figure 2 as the center position X 0 . Movement to the right or left then takes place in the direction of the steering shaft position + X (right) or in the direction -X (left). These respective end positions correspond to a linear stroke, which can typically be ± 75 mm. Depending on the vehicle type, this results in different steering angles. In individual cases, depending on the vehicle type, this linear stroke can also be smaller, for example ± 50 mm.
Die beiden Montagebohrungen 13 und 14 sind hier außerhalb der Druckkammer 11 angeordnet, so dass auch die beiden Einzelsensoren 35 und 36 außerhalb angeordnet sind. Es ist auch möglich, hier ein integriertes Sensorpaar vorzusehen.The two mounting holes 13 and 14 are arranged here outside the pressure chamber 11, so that the two individual sensors 35 and 36 are also arranged outside. It is also possible to provide an integrated pair of sensors here.
In einer anderen Ausführungsform können der oder die Sensoren 35 und 36 auch innerhalb der Druckkammer 11 positioniert werden. Der Sensor kann beispielsweise dann einen Abstand von der Lenkwelle 20 aufweisen, als optischer Sensor also durch das Hydrauliköl 12 die Daten der Lenkwelle 20 erfassen.In another embodiment, the sensor or sensors 35 and 36 can also be positioned within the pressure chamber 11. The sensor can then, for example, be at a distance from the steering shaft 20, that is, as an optical sensor, it can detect the data of the steering shaft 20 by means of the hydraulic oil 12.
Dadurch wird es ihm möglich, zusätzlich zum Ablesen der MikroStrukturen 31 der Markierung 30 auf der Lenkwelle 20 eine Aussage über die Trübung des Hydrauliköls 12 in der Druckkammer 11 zu liefern. Diese Aussage kann als Kriterium für das Auswechseln des Hydrauliköls 12 eingesetzt werden. Je nach Trübung und spektraler Absorbtion des Hydrauliköls 12 wird eine geeignete Sendewellenlänge für den optischen Sensor 35 ausgewählt. Ein solches System funktioniert auch bei Verschmutzung durch Abriebpartikel oder einem Ölfilm und besitzt vorzugsweise aus Sicherheitsgründen entsprechende Redundanz, Fehlertoleranz und Azimuttoleranz.This makes it possible for him, in addition to reading the microstructures 31 of the marking 30 on the steering shaft 20, to provide a statement about the turbidity of the hydraulic oil 12 in the pressure chamber 11. This statement can be used as a criterion for the replacement of the hydraulic oil 12. Depending on the turbidity and spectral absorption of the hydraulic oil 12, a suitable transmission wavelength is selected for the optical sensor 35. Such a system also works in the event of contamination by abrasion particles or an oil film and, for safety reasons, preferably has corresponding redundancy, fault tolerance and azimuth tolerance.
Die Sensoren können faseroptische Sensoren mit zwei Einzelfasern sein, wie dies in der Figur 2 angedeutet ist, diese können (nicht dargestellt) parallel der gegeneinander geneigt sein, um ankommendes und reflektiertes Licht aufzunehmen. Denkbar ist es aber auch, faseroptische Refiektionssensoren in Y- Struktur einzusetzen oder aber auch Anordnungen mit Faserzeilen oder Faserbündeln zu berücksichtigen.
Der beziehungsweise die Sensoren 35 und 36 oder auch ein Sensorsystem 37 (siehe für ein solches System Figur 3) werden dabei als Sender beziehungsweise als Empfänger eingesetzt und können mit insbesondere temperaturfester Aufbau- und Verbindungstechnik direkt an die Faser angekoppelt sein. Alternativ können sie auch über eine Zuleitungsfaser angeordnet werden, die sich in einem Bereich mit niedrigerer Temperatur befindet. In einer weiteren Ausführungsform wird das Sensormodul zur einfacheren Montage als ein kompaktes, miniaturisiertes (mikrotechnisches) Modul konfektioniert und im System montiert.The sensors can be fiber-optic sensors with two individual fibers, as is indicated in FIG. 2, these (not shown) can be parallel to one another and inclined in order to receive incoming and reflected light. However, it is also conceivable to use fiber-optic refiection sensors in a Y structure or to take into account arrangements with fiber rows or fiber bundles. The sensor or sensors 35 and 36 or also a sensor system 37 (see for such a system FIG. 3) are used as transmitters or as receivers and can be coupled directly to the fiber using, in particular, temperature-resistant construction and connection technology. Alternatively, they can also be arranged via a feed fiber that is located in an area with a lower temperature. In a further embodiment, the sensor module is assembled as a compact, miniaturized (microtechnical) module for easier installation and installed in the system.
In einer anderen, nicht dargestellten Ausführungsform wird zur Erhöhung der Zuverlässigkeit beziehungsweise der Störsicherheit noch zusätzlich vorgesehen, dass zwei Sensoren 35 azimutal nebeneinander plaziert werden. Diese beiden Sensoren tasten dann zwei zueinander komplementäre Bitmuster ab, die beide jeweils als dünnfilmtechnisch aufgebrachte, parallel angeordnete Einzel- Markierungen 30 mit entsprechenden MikroStrukturen 31 realisiert sind.In another embodiment, not shown, to increase the reliability or the interference immunity, it is additionally provided that two sensors 35 are placed azimuthally next to one another. These two sensors then scan two mutually complementary bit patterns, both of which are implemented as thin-film technology, parallel markings 30 with corresponding microstructures 31.
In Figur 3 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Markierung 30 mit MikroStrukturen 31 dargestellt. Die Lenkwelle 20 ist hier rein schematisch als Ausschnitt wiedergegeben; sie erstreckt sich parallel zur angedeuteten x-Richtung.FIG. 3 shows a schematic representation of an embodiment of a marking 30 with microstructures 31. The steering shaft 20 is shown here purely schematically as a section; it extends parallel to the indicated x-direction.
Zu erkennen ist ferner ein Sensorsystem mit einem Array aus faseroptischen Y- Verzweigungen 38. Das Sensorsystem 37 besitzt ein Modul A zur Erzeugung und Einkopplung des Lichts 51 in die Eingangs- oder Einkoppelfasern 39 des faseroptischen Y-Verzweigers 38.A sensor system with an array of fiber optic Y branches 38 can also be seen. The sensor system 37 has a module A for generating and coupling the light 51 into the input or coupling fibers 39 of the fiber optic Y branch 38.
Vorgesehen ist auch ein Modul B mit in y-Richtung angeordnetem Array aus Linsen 52, insbesondere Mikrolinsen, zur Erzeugung paralleler Ausgangs-Licht- bündel. Die Ausgangs-Lichtbündel 53 fallen auf die MikroStrukturen 31 der Markierung 30 auf der Lenkwelle 20. Diese MikroStrukturen 31 bilden eine Folge von Sequenzen. Es findet eine positionsspezifische selektive Retroreflektion statt.
Das retroflektierende Licht gelangt wieder durch die Linsen 52 in die Fasern des Moduls B und von dort zu einem Modul C zur Auskopplung und Detektion des retroflektierten und den faseroptischen Y-Verzweiger 38 verlassenden Lichts 55.A module B with an array of lenses 52, in particular microlenses, arranged in the y direction is also provided for generating parallel output light beams. The output light bundles 53 fall on the microstructures 31 of the marking 30 on the steering shaft 20. These microstructures 31 form a sequence of sequences. A position-specific selective retroreflection takes place. The retro-reflecting light again passes through the lenses 52 into the fibers of the module B and from there to a module C for decoupling and detection of the retro-reflected light 55 and leaving the fiber-optic Y-branch 38.
In der Figur 3 ist außerdemIn Figure 3 is also
± x die axiale Richtung, also die Bewegungsrichtung der Lenkwelle;± x the axial direction, ie the direction of movement of the steering shaft;
± y die azimutale Richtung, also die Richtung, in der das positionsspe- zifische Bitmuster angeordnet ist; und± y the azimuthal direction, ie the direction in which the position-specific bit pattern is arranged; and
z die Einbaurichtung des Sensorsystems.z the installation direction of the sensor system.
Die Koordinaten x und z sind zueinander orthogonal; die Koordinate z weist in Richtung der zu x und z orthogonalen Tangente an die Oberfläche der Lenkwelle 20.The coordinates x and z are orthogonal to each other; the coordinate z points in the direction of the tangent orthogonal to x and z to the surface of the steering shaft 20.
Figur 4 zeigt ein Detail aus Figur 3, nämlich eine erste Version eines Sende- und Einkoppelmoduls A mit Einzelquelle 51 , Einzellinse 52 und Faserbündel aus Einkoppelfasern 39 des Y-Verzweigers 38.FIG. 4 shows a detail from FIG. 3, namely a first version of a transmission and coupling module A with a single source 51, single lens 52 and fiber bundles made of coupling fibers 39 of the Y branch 38.
Figur 5 zeigt als Alternative zu Figur 4 eine andere Version eines Sende- und Einkoppelmoduls A mit einem Array aus Linsen 52. Die Fasern werden gebündelt und anschließend als Einkoppelfasern 39 des Y-Verzweigers 38 wieder vereinzelt.FIG. 5 shows, as an alternative to FIG. 4, another version of a transmission and coupling module A with an array of lenses 52. The fibers are bundled and then separated again as coupling fibers 39 of the Y-branch 38.
Figur 6 zeigt ein anderes Detail aus Figur 3, nämlich eine Ausführungsform eines Auskoppel-, Empfangs- und Auswertemoduls C mit streckenweise gebündelten Auskoppelfasern 54, einem Array aus Linsen 52, Detektorzeile 56, der elektronischen Schaltung 40 mit der Auswerteelektronik und Ausgangssignal 60 mit der "Position der Lenkwelle".FIG. 6 shows another detail from FIG. 3, namely an embodiment of a decoupling, reception and evaluation module C with coupling fibers 54 bundled in places, an array of lenses 52, detector line 56, the electronic circuit 40 with the evaluation electronics and output signal 60 with the " Position of the steering shaft ".
Figur 7 zeigt eine 8 Bit Kodierung in radialer Richtung und periodische Wegmessmarken in axialer Richtung.
Figur 8 zeigt ein Anordnungsbeispiel von Blöcken mit individuellen Kodierungen.FIG. 7 shows an 8-bit coding in the radial direction and periodic position measuring marks in the axial direction. FIG. 8 shows an arrangement example of blocks with individual codings.
Figur 9 zeigt ein Anordnungsbeispiel von unterschiedlichen Struktursequenzen und einer Leitstruktur mit periodischer Teilung zur Spurfindung bei azimutaler Verschiebung.FIG. 9 shows an example of the arrangement of different structural sequences and a lead structure with periodic division for finding the lane with azimuthal displacement.
In den Figuren 10 bis 14 sind Ausführungsbeispiele für mögliche Herstellungsverfahren der MikroStrukturen 31 dargestellt. Auf einem Grundkörper 81 , der auch die Lenkwelle 20 oder eine andere kraftschlüssig mit der Lenkwelle 20 gekoppelte Vorrichtung sein kann, wird ein kodiertes Muster erzeugt. Für eine Variante, bei der die Detektionsmittel optischer Austastung der Muster erfolgen soll, wird der Grundkörper 81 mit einem fokussierten Laserstrahl an der Oberfläche so behandelt, dass an der Einwirkungsstelle laserablative Prozesse zu Abtragungen und damit zu bleibenden Markierungen führen (vgl. Figur 10).FIGS. 10 to 14 show exemplary embodiments for possible manufacturing processes for the microstructures 31. A coded pattern is generated on a base body 81, which can also be the steering shaft 20 or another non-positively coupled device with the steering shaft 20. For a variant in which the detection means are to be optically blanked out of the pattern, the base body 81 is treated with a focused laser beam on the surface in such a way that laser-ablative processes at the point of action lead to ablation and thus permanent markings (see FIG. 10).
Vorzugsweise werden wegen der hohen Auflösung hierfür Eximerlaser verwandt. Das so erzeugte Muster kann anschließend mit einer reibungs- und verschleißmindernden Schicht bedeckt werden. Dies ist in Figur 11 gezeigt. Als derartige Deckschicht eignet sich im Bereich der Lenkwelle so hervorragend eine metalldotierte amorphe Kohlenwasserstoffschicht, die in einer Dicke zwischen 0,5 μm und 5 μm mittels bekannter plasmaunterstützter PACVD-Verfahren (Magnetronsputterverfahren mit Substratbias und einem Kohlenwasserstoffgas, vorzugsweise C2H2) aufgetragen wird. Als Dotierungsmetall wird bevorzugt für diese Anwendung Titan oder Wolfram verwandt. Die metalldotierte amorphe Kohlenwasserstoffschicht wird zum Beispiel unter Verwendung einer Großraum- Sputteranlage der Firma Leybold vom Typ Tritec 1000 herstellt, wobei zwei Wolfram-Targets installiert werden. Die Anlage besitzt einen Rotationshalter, der je nach Ausstattung bis zu 20 Lenkwellen aufnehmen kann. Nach dem üblichen Pumpvorgang, der die Kammer auf ca. 10"5 hPa abpumpt, wird Argon bis zu einem Druck von 3 x 10"3 hPa eingelassen und die Substrate bei 100 bis 300 V Biaspotential durch lonenbeschuss an der Oberfläche gereinigt. Dabei werden die Targets bei ca. 6 KW vorgesputtert. Ohne Unterbrechung des Plasmas wird durch Öffnen der Targetabdeckungen und unter sukzessiver Zugabe von C2H2
zum Prozess eine gradierte Schicht aus wolframdotiertem Kohlenwasserstoff gebildet. Der C2H2-Gasfluss wird nach einigen Minuten so justiert, dass das Verhältnis von Wolfram zu Kohlenstoff in der Schicht 5 bis 10 at % entspricht. Während der Herstellung der metalldotierten amorphen Kohlenwasser- Stoffschicht werden die Substrate mit einem Biaspontential zwischen 100 und 300 V, vorzugsweise 200 V angekoppelt. Unter diesen Bedingungen wird in 0,5 Stunde eine Schichtdicke von 1 μm aufgebracht.Eximer lasers are preferably used for this because of the high resolution. The pattern created in this way can then be covered with a friction and wear-reducing layer. This is shown in Figure 11. A metal-doped amorphous hydrocarbon layer, which is applied in a thickness between 0.5 μm and 5 μm by means of known plasma-assisted PACVD processes (magnetron sputtering processes with substrate bias and a hydrocarbon gas, preferably C 2 H 2 ), is so outstandingly suitable as such a covering layer in the area of the steering shaft . Titanium or tungsten is preferably used as the doping metal for this application. The metal-doped amorphous hydrocarbon layer is produced, for example, using a large-scale sputtering system from Leybold of the Tritec 1000 type, with two tungsten targets being installed. The system has a rotation holder that can accommodate up to 20 steering shafts, depending on the equipment. After the usual pumping process, which pumps the chamber down to approx. 10 "5 hPa, argon is let in up to a pressure of 3 x 10 " 3 hPa and the substrates are cleaned at 100 to 300 V bias potential by ion bombardment on the surface. The targets are sputtered at around 6 KW. Without interrupting the plasma, the target covers are opened and C 2 H 2 is added successively a graded layer of tungsten-doped hydrocarbon is formed for the process. The C 2 H 2 gas flow is adjusted after a few minutes so that the ratio of tungsten to carbon in the layer corresponds to 5 to 10 at%. During the production of the metal-doped amorphous hydrocarbon layer, the substrates are coupled with a bias potential between 100 and 300 V, preferably 200 V. Under these conditions, a layer thickness of 1 μm is applied in 0.5 hour.
In den Figuren 12 bis 14 sind weitere Lösungswege gezeigt, die die Anwendung einer strukturierten Schicht beschreiben. Dabei kann die Schichtstruktur für unterschiedliche Sensorprinzipien dienen. Bei optischer Detektion besitzen die Schichtstrukturen beispielsweise einen geeigneten Kontrast (Flächen oder Kantenkontrast) zu der umgebenden Oberfläche. Die Schichtstruktur kann jedoch auch aus einem magnetischen Material erzeugt werden und mit Hilfe eines magnetischen Sensors oder einer magnetischen Sensormatrix ausgelesen werden, in diesem Fall wird eine magnetische Schicht, vorzugsweise aus CoSm oder FeSi oder NdFeB mit und ohne Zusatzstoffe verwandt.FIGS. 12 to 14 show further possible solutions that describe the use of a structured layer. The layer structure can serve for different sensor principles. In the case of optical detection, the layer structures have, for example, a suitable contrast (areas or edge contrast) to the surrounding surface. However, the layer structure can also be produced from a magnetic material and read out with the aid of a magnetic sensor or a magnetic sensor matrix, in which case a magnetic layer, preferably made of CoSm or FeSi or NdFeB with and without additives, is used.
Die Lenkwelle 20 beziehungsweise der Grundkörper 81 wird in einem Vakuumprozess mit in diesem Fall zwei Schichten 83, 84 beschichtet, wobei die untere Schicht 23 beziehungsweise eine metalldotierte amorphe Kohlenwasserstoffschicht ist, auf die eine TiN-Schicht abgeschieden wird. Die Dicke der oberen Schicht 84 beträgt ca. 0,5 μm. Bevorzugterweise wird TiN in Kombination mit einer Ti-dotierten Kohlenwasserstoffschicht verwandt. Dabei wird das Ethin lediglich durch Stickstoff ausgetauscht, wiederum ohne Unterbrechung des Plasmas. Die Strukturierung der Schicht 84 erfolgt fotolithographisch, indem die beschichtete Lenkwelle 20 mit einem Fotolack beschichtet wird. Die Dicke beträgt ca. 2,5 μm. Die Muster werden dann mittels einer Maske großflächig auf der Lenkwelle erzeugt.The steering shaft 20 or the base body 81 is coated in a vacuum process with in this case two layers 83, 84, the lower layer 23 or a metal-doped amorphous hydrocarbon layer onto which a TiN layer is deposited. The thickness of the upper layer 84 is approximately 0.5 μm. TiN is preferably used in combination with a Ti-doped hydrocarbon layer. The ethyne is only exchanged for nitrogen, again without interrupting the plasma. The structuring of the layer 84 takes place photolithographically in that the coated steering shaft 20 is coated with a photoresist. The thickness is approximately 2.5 μm. The patterns are then generated over a large area on the steering shaft using a mask.
Nach der Resistentwicklung wird die TiN-Schicht 84 nasschemisch unter Anwendung bekannter Ätzmittel dort entfernt, wo sich keine Fotoresistmuster befinden.
Die Muster können auch versenkt, das heißt planarisiert hergestellt werden, wie Figur 13 zeigt. In diesem Fall wird die Lenkwelle 20 mit zum Beispiel einer W-dotierten amorphen Kohlenwasserstoffschicht 85 beschichtet und anschließend eine Fotoresistmuster darauf erzeugt. Mit Hilfe der Fotoresistmaskierung wird dann in einem reaktiv geführten Plasmaätzprozess (Ätzgase Ar/SF6) eine Vertiefung von 0,2-1,0 μm in die W-dotierte amorphe Kohlenwasserstoffschicht geätzt. Unter Beibehaltung der Fotoresistmaske wird dann die Vertiefung durch Sputter von zum Beispiel TiN wieder aufgefüllt. Die Oberfläche ist dadurch auch mikroskopisch glatt.After resist development, the TiN layer 84 is removed wet-chemically using known etchants where there are no photoresist patterns. The patterns can also be sunk, that is to say made planar, as shown in FIG. In this case, the steering shaft 20 is coated with, for example, a W-doped amorphous hydrocarbon layer 85 and then a photoresist pattern is formed thereon. With the help of the photoresist masking, a recess of 0.2-1.0 μm is then etched into the W-doped amorphous hydrocarbon layer in a reactive plasma etching process (etching gases Ar / SF 6 ). While maintaining the photoresist mask, the depression is then replenished by sputtering of, for example, TiN. The surface is also microscopically smooth.
Eine weitere Ausführung ist in Figur 14 enthalten, wo eine tribologisch optimierte Schicht 86 für den vorbeschriebenen Unterbau aufgebracht wird. In diesem Fall können für die Mustererzeugung auch Schichtmaterialien verwandt werden, die nicht unbedingt gute tribologische Eigenschaften besitzen.A further embodiment is contained in FIG. 14, where a tribologically optimized layer 86 is applied for the previously described substructure. In this case, layer materials that do not necessarily have good tribological properties can also be used for pattern generation.
In Figur 15 ist eine Ausführungsform eines Sensors 35 dargestellt. Es handelt sich um einen magnetischen Sensor. Er besteht aus einer zeilenartigen Anordnung von Magnetsensoren, die eine magnetische Struktur zum Beispiel in einem 8-Bit-Code auslesen können. Dargestellt sind die Polstrukturen des Lesekopfs, wobei durch die Anwendung einer zweiten Zeile die Betriebssicherheit verbessert und die Anzahl der Kodierungen erhöht wird. Der Sensor 35 kann zum Beispiel aus bekannten magnetoresistiven oder induktiven Einzeisensoren, die in ebenfalls bekannten Dünnschichttechniken erzeugt werden, hergestellt werden. Um einen minimalen Abstand zu den magnetischen MikroStrukturen auf der Lenkwelle 20 zu gewährleisten, sind die Polstrukturen der Lesesensoren auf einem an den Durchmesser der Lenkwelle 20 angepassten Kreisbogen angeordnet.
An embodiment of a sensor 35 is shown in FIG. It is a magnetic sensor. It consists of a line-like arrangement of magnetic sensors that can read a magnetic structure, for example in an 8-bit code. The pole structures of the read head are shown, the operational reliability being improved and the number of encodings being increased by using a second line. The sensor 35 can be produced, for example, from known magnetoresistive or inductive single sensors, which are also produced in known thin-film techniques. In order to ensure a minimum distance from the magnetic microstructures on the steering shaft 20, the pole structures of the reading sensors are arranged on a circular arc that is adapted to the diameter of the steering shaft 20.
BezugszeichenlisteReference list
MontageblockAssembly block
DruckkammerPressure chamber
HydraulikölHydraulic oil
MontagebohrungMounting hole
MontagebohrungMounting hole
LenkwelleSteering shaft
ZahnstangeRack
Ritzelpinion
Kolbenpiston
Dichtungpoetry
Markierungmark
MikroStrukturenMicrostructures
Sensorsensor
Sensorsensor
SensorsystemSensor system
38 Y-Verzweiger38 Y-branch
EinkoppelfaserCoupling fiber
elektronische Schaltungelectronic switch
Quellesource
Linselens
Ausgangs-LichtbündelOutput light beam
AuskoppelfasernDecoupling fibers
Lichtlight
DetektorzeileDetector line
Ausgangssignai
81 GrundkörperOutput signal 81 basic body
82 Schicht82 layer
83 Schicht83 layer
84 Schicht 85 Schicht84 layer 85 layer
86 Schicht86 layer
A ModulA module
B Modul C ModulB module C module
P DruckP pressure
Xo MittenpositionXo center position
+X Lenkwellenposition nach rechts -X Lenkwellenposition nach links y azimutale Richtung z Einbaurichtung des Sensors
+ X steering shaft position to the right -X steering shaft position to the left y azimuthal direction z installation direction of the sensor